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２００９年第１２－ｗ

期

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转子，其结构形状如图２所示，它内圈很薄，而外圈

设计成一个工字型的圆环，在形状上就类似一个碟

型弹簧。当柔性转子在一定的预压力下，转子发生

弹性变形，结构尺寸设计合理，转子的径向变形会和

定子变形一致，从而保证了定转子之间在径向良好

的接触面，其接触状态如图３所示。

善子

图２柔性转子截面图

图３定转子接触状态图

３静态载荷仿真分析

要使柔性转子有较大的弹性变形，转子腹板须

设计得很薄，在转子外边缘最薄达到０．３８ｍｍ。由

于转子在电机运行时不仅要转动，而且要轴向振动，

在转子边缘处振幅达到最大，当工作在超声频率时

可能发生疲劳破裂，所以转子材料要有很好的弹性

和刚度，在这里我们选择航空硬铝合金。

三维建模软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ是Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ公司推

出的一款工业设计领域内的ＣＡＤ软件，它可以对产

品进行三维建模、工程分析、装配和运动仿真模拟。

嵌入在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ２００６中的有限元分析软件ＣＯＳ．

ＭＯＳＷｏｒｋｓ可以对设计的产品做应力分析、应变分

析、变形分析、热力分析、设计优化、线性和非线性分

析ｐＪ。ＣＯＳＭＯＳＷｏｒｋｓ软件有不同的软件包和应用

程序，ＣＯＳＭＯＳＸｐｒｅｓｓ是其主要部分，利用它对柔性

转子做静态载荷分析。在ＣＯＳＭＯＳＸｐｒｅｓｓ中对转子

施加载荷／制约，如图４所示，转子内环由垫片和机

壳固定，外环在定子齿的作用力下产生变形。之后

对转子做网格划分和做静态分析得到柔性转子的最

小安全系数、位移图解（如图５所示）、应力图解（如

图６所示），颜色越深表示应力越大和位移越大。

从图中可以看出，在转子的最外环转子位移形变最

大，最薄处应力最大。运行完之后，软件自动生成研

究分析报告，在对转子分别施加了１２０

Ｎ、１５０

Ｎ和

图４转子载荷／制约图

２００

Ｎ的预压力，得到的分析结果如表１所示。可

以看出，在１２０Ｎ的预压力下转子的最小安全系数

大于１．２，说明此结构转子在当前压力下结构强度

是可靠的，转子最大合理位移是０．１０８ｍｍ。当预压

力增大到１５０Ｎ和２００Ｎ时转子最小安全系数小于

１，转子开始屈服，有可能发生破裂。通过优化最终

将转子的腹板厚度设计为０．３８ｍｍ，以增加转子的

安全系数。

表１有限元分析结果数据

载荷ＤＩＮ网格数节点数最小安全系数最大应Ｄ／（Ｎ・ｍ。２）最大位移／ｍｍ

１２０

１４７２４

２７

９９４

１．２６５７３ｌ

１．０１１

１１ｘｌＯｓ

Ｏ．１０００５２

１５０

１４

７２４

２７

９９４

１．０１０５２６

１．２６３７５ｘ１０９

Ｏ．１２５６３８

２００

１４７２４

２７９９４

０．７６３０７５

１．６８５叭×１０ｓ

Ｏ．１６７５１７

４实验结果

我们对ＵＳＭ５０超声波电动机的柔性转子做了

实际静态载荷实验。当压力加到２００Ｎ以上时转子

变形明显，当压力增大到２８０Ｎ时转子边缘最薄处

破裂，验证了仿真结果。在对采用柔性转子的超声

波电动机做机械特性实验，和采用刚性转子的电机

做比较发现，采用柔性转子的电机性能曲线明显要

比采用刚性转子的高，电机效率曲线也明显优于刚

性的，证明了转子结构设计的合理性。

５结语

通过对环形行波型超声波电动机柔性转子结构

形式的研究，针对ＵＳＭ５０电机设计了一种柔性转

子，并用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件进行了建模，利用其嵌入的

有限元分析软件包ＣＯＳＭＯＳＷｏｒｋｓ做了静态载荷分

析，得到转子在不同的预压力下的最小安全系数、应

力分布和变形位移大小。

最后对ＵＳＭ５０超声波电动机的柔性转子做了

实际静态载荷实验，验证了仿真结果。这对超声波

电动机生产装配有较好的参考价值，装配时应调节

预压力大小并控制在一定范围内，同时增加吸振圈，

保证定转子间有很好的变形匹配，使转子不会出现

疲劳断裂现象。

参考文献

［１］

杨永生．超声波电机的原理与发展动态［Ｊ］．微特电机，２００３

（６）：３５－３８．

［２］

赵淳生．超声电机技术与应用［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．

［３］

江洪，陈燎，王智．Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ有限元分析实例解析［Ｍ］．北京：

机械工业出版社．２００７．

图５柔性转子位移分布图

图６柔性转子应力分布图

制。

３４

作者简介：董金宝（１９８１一），男，硕士研究生，研究方向为电机控

行波型超声波电动机柔性转子结构设计研究

万方数据